[논문 리뷰] Topological optical and phononic interface mode by simultaneous band inversion

O. Ortíz, Priya Priya외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 29.

Mechanical and Optical Resonators참고 문헌 39인용 수 34

한 줄 요약

저자들은 빛과 음향에 대해 동시에 반전된 밴드 구조를 갖는 GaAs/AlAs 다층 구조를 설계하여 1.34 eV 광자와 18 GHz 음향의 인터페이스 모드를 함께 로컬라이즈시키고, 이를 실험적으로 검증하며 강건한 광음향 상태를 위한 설계 규칙을 제시한다.

ABSTRACT

Interface modes have been widely explored in the field of electronics, optics, acoustics and nanophononics. One strategy to generate them is band inversion in one-dimensional superlattices. Most realizations of this type of topological states have so far been explored for a single kind of excitation. Despite its potential in the manipulation and engineering of interactions, platforms for the simultaneous topological confinement of multiple excitations remain an open challenge. GaAs/AlAs heterostructures exhibit enhanced optomechanical interactions due to the intrinsic colocalization of light and sound. In this work, we designed, fabricated, and experimentally studied a multilayered structure based on GaAs/AlAs. Due to the simultaneously inverted band structures for light and phonons, colocalized interface modes for both 1.34 eV photons and 18 GHz phonons appear. We experimentally validated the concept by optical reflectivity and coherent phonon generation and detection. Furthermore, we theoretically analyzed the performance of different topological designs presenting colocalized states in time-domain Brillouin scattering and deduce engineering rules. Potential future applications include the engineering of robust optomechanical resonators, compatible with the incorporation of active media such as quantum wells and quantum dots.

연구 동기 및 목표

• 광학 및 음향 excitation를 동시에 구속하는 위상적 인터페이스 모드를 고안하고 실현한다.
• GaAs/AlAs 이종구조에서 빛과 소리가 같은 위치에 위치한 인터페이스 모드에 대한 실험적 증거를 제시한다.
• 강건한 광음향 인터페이스 상태 설계를 위한 이론적 분석 및 엔지니어링 규칙을 제공한다.

제안 방법

• 광자와 음향에 대해 반전된 밴드 구조를 갖는 GaAs/AlAs 다층 이종구조를 설계하고 제작한다.
• 광학 반사 특성 측정을 통해 인터페이스 모드를 특성화한다.
• 일관된 음향을 생성하고 검출하여 음향 인터페이스 모드를 확인한다.
• 다양한 위상 설계를 이론적으로 분석하고 시간 영역 Brillouin 산란 서명을 도출한다.
• 콜로컬라이즈드 광음향 상태 달성을 위한 엔지니어링 규칙을 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 이종구조에서 빛과 음향을 위한 인터페이스 모드를 동시에 호스팅하는 밴드 반전이 가능한가?
• RQ2 GaAs/AlAs에서 콜로컬라이즈된 광학 및 음향 인터페이스 상태를 확인하는 실험적 서명은 무엇인가?

주요 결과

• 동시 밴드 반전에 의해 1.34 eV 광자와 18 GHz 음향에 대해 인터페이스 모드가 서로 로컬라이즈되어 나타난다.
• 인터페이스 모드의 광학 성분은 광학 반사 측정으로 검증된다.
• 일관된 음향 생성 및 검출을 통해 인터페이스 모드의 음향 성분이 검증된다.
• 다양한 위상 설계에 따른 성능과 시간 영역 Brillouin 산란 서명을 이론적으로 제시한다.
• 양자 well/dot과 같은 활성 매질과의 호환성을 포함하여 강건한 광음향 공진자를 설계하기 위한 엔지니어링 규칙을 도출한다.